GPS測量技術(shù)在烏拉泊水庫大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用

(烏魯木齊水業(yè)集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830049)

大壩是水庫工程的主要建筑物，由于水庫攔水體積和河流沖擊力的作用，壩體受力往往很大，一旦壩體變形程度超過允許限值，會造成裂縫、滲漏甚至潰壩的危險。因此，需要對壩體變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，在危險發(fā)生之前進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。而隨著科技的發(fā)展，目前GPS測量技術(shù)在壩體變形監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

烏拉泊水庫位于烏魯木齊市上游17km處，是烏魯木齊河中游的一座攔河水庫，比烏魯木齊市中心高出約223m，因此，被稱為“烏市頭上一盆水”。水庫淹沒面積6.40km2，控制流域面積2596km2，大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂高程1088.00m，最大壩高26m，壩頂寬6m，壩長1050m。設(shè)計庫容4000萬m3，蘭新鐵路、312國道均從水庫下游通過。烏拉泊水庫是一座集防洪、灌溉和城市供水等功能于一體的中型水庫。烏拉泊水庫始建于1959年，1978年進(jìn)行除險加固和擴(kuò)建，為監(jiān)測大壩運(yùn)行狀態(tài)，2018年相關(guān)部門對大壩進(jìn)行變形監(jiān)測。

2 GPS測量技術(shù)的基本原理及誤差分析

2.1 GPS測量技術(shù)的基本原理

GPS測量技術(shù)的本質(zhì)是應(yīng)用了“測距交會”的定位原理，雖然測距衛(wèi)星在天空不停運(yùn)動，但依然可以利用固定在地面上三個已知點(diǎn)的衛(wèi)星激光測距儀來同時測定某一時刻至該衛(wèi)星的距離，應(yīng)用“測距交會”原理便可確定該時刻衛(wèi)星的空間位置，應(yīng)用這類方法可以測定三顆以上衛(wèi)星的空間位置。如果第四個地面點(diǎn)(坐標(biāo)未知)的衛(wèi)星測距儀也參與到測定該點(diǎn)到三顆衛(wèi)星的空間距離，則利用所測定的三個空間距離可以交會出該地面點(diǎn)的坐標(biāo)，見圖1[1]。

圖1 GPS實(shí)時動態(tài)定位示意

2.2 GPS測量技術(shù)的誤差分析

2.2.1 信號傳輸誤差

2.2.1.1 對流層折射

衛(wèi)星傳輸信號形式為電磁波，而非電離大氣，會對電磁波產(chǎn)生折射而發(fā)生延遲。對流層折射強(qiáng)度與大氣壓力、溫度、濕度有關(guān)，減小對流層折射影響的方法一般有以下兩類：?當(dāng)基線較短時，可采用“雙差觀測”來消除影響；?當(dāng)基線較長或兩端高差很大時，可利用Hopfield改正模型[2]消除影響。

2.2.1.2 電離層折射

大氣中的電離層會使電磁波傳輸中受彌散性影響，傳播路徑發(fā)生偏差，減小電離層折射影響方法有以下三類：?利用雙頻觀測，但要避開中午和太陽黑子活躍時刻；?利用導(dǎo)航電文提供的電離層改正模型可降低50%以上偏差；?當(dāng)基線較短時，可利用“同步觀測值求差法”。

2.2.1.3 多路徑效應(yīng)

如果天線附近有反射體，衛(wèi)星信號在傳輸中會因反射而產(chǎn)生疊加信號，進(jìn)而產(chǎn)生附加時延量，這叫作多路徑效應(yīng)。減小誤差方法一般為以下三種：?消除天線周圍反射體；?加強(qiáng)天線接收信號能力；?適當(dāng)延長觀測時間[3]。

2.2.2 GPS自身誤差

2.2.2.1 衛(wèi)星軌道誤差

衛(wèi)星運(yùn)行受多種作用力影響，一旦產(chǎn)生細(xì)微偏差也會在長距離上造成較大誤差。一般可以采用“軌道改進(jìn)法”和“同步觀測值求差法”來降低衛(wèi)星軌道誤差。

2.2.2.2 鐘差

衛(wèi)星上的高精度原子鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時之間會存在偏差和漂移，這叫作衛(wèi)星鐘差?？梢酝ㄟ^對衛(wèi)星連續(xù)監(jiān)測來測定鐘差值，進(jìn)而消除剩余衛(wèi)星鐘差。接收機(jī)上的高精度石英鐘鐘差可采用“差分技術(shù)”(載波相位相對定位)和“外接頻標(biāo)法”(高精度定位)進(jìn)行修正[4]。

3 GPS測量技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用分析

3.1 建立大壩水平位移監(jiān)測網(wǎng)

為了獲得大壩變形監(jiān)測網(wǎng)的準(zhǔn)確基準(zhǔn)(位置基準(zhǔn)和高程起始基準(zhǔn))，將平面坐標(biāo)系和高程系聯(lián)合測試，同時進(jìn)行一次布網(wǎng)。但需注意在進(jìn)行水平位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，應(yīng)將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為壩軸線坐標(biāo)系。本項目以“北京54坐標(biāo)系”為標(biāo)準(zhǔn)來求取虛擬庫中心坐標(biāo)，并以此坐標(biāo)y值和壩面高程1088.00m為參數(shù)，按照式(1)經(jīng)過一系列換算最終得出水庫抵償高程面值[5]。

(1)

式中H——兩端點(diǎn)高出橢球體面的高程,m；

R——地球曲率,m；

y——虛擬中心橫坐標(biāo)值,m。

3.2 各基點(diǎn)的布設(shè)及要求分析

3.2.1 基點(diǎn)位置選勘要求

為保證測量工作的順利進(jìn)行，必須對各基點(diǎn)位置進(jìn)行挑選，具體要求如下：點(diǎn)位基礎(chǔ)堅實(shí)穩(wěn)固，標(biāo)記易于長期保存；視野開闊，保證觀測點(diǎn)周圍高度角大于15°時無遮擋物；為避免干擾，基點(diǎn)要遠(yuǎn)離大功率無線發(fā)射源，距大功率無線發(fā)射源不得小于250m(距高壓線不得低于50m)。

3.2.2 基點(diǎn)布設(shè)

為有效監(jiān)測大壩水平位移情況，本項目設(shè)計布置了基準(zhǔn)點(diǎn)(B級點(diǎn))、工作基點(diǎn)(C級點(diǎn))、變形監(jiān)測點(diǎn)(D級點(diǎn))三級監(jiān)測網(wǎng)。各類點(diǎn)具體布設(shè)方案如下：B級點(diǎn)布置在水庫大壩東西兩側(cè)沉降區(qū)以外，距壩體軸線1.0km，共布置4個，近似組成一個四邊形，見圖2；C級點(diǎn)均勻布置在壩體四周位置，距壩體軸線不大于400m，與B級點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)狀，見圖3；D級點(diǎn)在壩面迎水坡、背水坡各布置一排，然后在壩腳布置一排[6]。

圖2 基準(zhǔn)點(diǎn)空間布置示意

圖3 工作基點(diǎn)空間布置示意

3.2.3 各類監(jiān)測點(diǎn)觀測要求

本項目對各個點(diǎn)的觀測要求具體如下：觀測儀天線基座的兩個氣泡要求嚴(yán)格居中，偏差不大于3′，天線定向(正北)誤差不大于±3°；每個時段開機(jī)前，技術(shù)人員必須要量取天線高度，精確至1mm，并詳細(xì)記錄測站編號、時間、時段號。關(guān)機(jī)前再校核一下天線高度，前后差值不得大于2mm，否則測量結(jié)果作廢；水平位移觀測點(diǎn)相對于其他基點(diǎn)的坐標(biāo)誤差不得大于±3mm，各類觀測點(diǎn)的觀測要求見表1。

表1 烏拉泊水庫大壩基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、變形監(jiān)測點(diǎn)觀測要求

3.3 變形點(diǎn)觀測結(jié)果分析

3.3.1 水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

通過測量，得出在兩次觀測中布置在烏拉泊水庫大壩周邊4個基準(zhǔn)點(diǎn)的邊長變化，見圖4。通過分析可知：B001到其他三點(diǎn)的邊長變化均較?。籅002分別到B003和B004的長度變化為+7.2258mm和+4.5395mm，數(shù)值較大，穩(wěn)定性較差，所以刪除該點(diǎn)；B003到B004點(diǎn)的長度變化為-1.3050mm，數(shù)值較小。所以本項目最終將B001、B003、B004三點(diǎn)作為烏拉泊水庫大壩變形監(jiān)測網(wǎng)起算數(shù)據(jù)。

圖4 烏拉泊水庫大壩4個基準(zhǔn)點(diǎn)邊長變化(單位：mm)

3.3.2 水平位移變形監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定性分析

在此主要觀測壩腳處的變形監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)動情況，結(jié)果(部分)見圖5。根據(jù)觀測點(diǎn)X和Y的坐標(biāo)變化，發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果：Z343、Z345、Z349的X坐標(biāo)較差最大；Z245、Z1411、Z1413、Z1415的Y坐標(biāo)較差最大，較差值大，說明這些點(diǎn)相對于初始位置產(chǎn)生了較大的水平位移；由圖5可知Z341到Z3411范圍內(nèi)所有點(diǎn)向西產(chǎn)生位移，Z245到Z1411范圍內(nèi)所有點(diǎn)向東產(chǎn)生位移。究其原因是烏拉泊水庫大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，主壩段壩基沉降超過因水滲入造成的壩面抬高和膨脹，而主壩段膨脹向壩體兩端部擴(kuò)展，進(jìn)而引起布置在大壩兩端的監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)東、西向運(yùn)動量較大情況。綜合分析可知：烏拉泊水庫大壩壩基存在水平位移、沉降、滲水等問題。

圖5 烏拉泊水庫大壩工作基點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)位移變化

綜合分析：經(jīng)過近1個月的監(jiān)測分析，烏拉泊水庫大壩總位移量在5mm以內(nèi)，并且隨著水位變化可恢復(fù)一定程度，穩(wěn)定性滿足運(yùn)行要求，但壩體存在一定的滲漏問題，若不及時處理，可能會影響壩體的安全穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

GPS測量技術(shù)相關(guān)配套軟件完善，數(shù)據(jù)處理全部由計算機(jī)完成。相對于傳統(tǒng)測量方法具有精度高、節(jié)省時間、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但需要注意首先保證選取基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。為監(jiān)測烏拉泊水庫大壩變形問題，本項目建立了B、C、D三級監(jiān)測網(wǎng)，之后通過比較，刪除了一些穩(wěn)定性較差的點(diǎn)，通過觀測點(diǎn)的位移來分析壩體的位移問題。烏拉泊水庫大壩監(jiān)測結(jié)果顯示：其安全穩(wěn)定性滿足運(yùn)行要求，但壩基存在水平位移、沉降、滲水等一些問題，需要進(jìn)行一定的防滲處理。